Войти
Траектории ионов в масс-спектрометре Orbitrap. В масс-спектрометрии, Orbitrap представляет собой ионную ловушку масс-анализатор, состоящий из внешнего бочкообразного электрода и коаксиального внутреннего шпиндельного электрода, который захватывает ионы в орбитальном движении вокруг шпинделя. Ток изображения от захваченных ионов регистрируется и преобразуется в масс-спектр с использованием преобразования Фурье частотного сигнала.
Концепция электростатического захвата ионов на орбите вокруг центрального шпинделя была разработана Кеннетом Хей Кингдоном в начале 1920-х годов. Ловушка Kingdon состоит из тонкой центральной проволоки и внешнего цилиндрического электрода. Приложенное статическое напряжение приводит к возникновению радиального логарифмического потенциала между электродами. В 1981 году Найт представил модифицированный внешний электрод, который включал аксиальный квадрупольный член, ограничивающий ионы на оси ловушки. Не сообщалось, что конфигурации Кингдона и Рыцаря дают масс-спектры. Изобретение Макаровым анализатора Orbitrap и его доказательство принципа действия в конце 1990-х годов положило начало серии технологических усовершенствований, которые привели к коммерческому внедрению этого анализатора в Thermo Fisher Scientific в составе гибридного прибора LTQ Orbitrap в 2005 году.
Поперечное сечение C-ловушки и анализатора Orbitrap (ионная оптика и дифференциальная накачка не показаны). Ионный пакет попадает в анализатор во время нарастания напряжения и формирует кольца, которые индуцируют ток, обнаруживаемый усилителем. В Orbitrap ионы захватываются, потому что их электростатическое притяжение к внутреннему электроду уравновешивается их инерцией.. Таким образом, ионы вращаются вокруг внутреннего электрода по эллиптическим траекториям. Кроме того, ионы также движутся вперед и назад вдоль оси центрального электрода, так что их траектории в пространстве напоминают спирали. Благодаря свойствам квадрологарифмического потенциала их осевое движение является гармоническим, т.е. оно полностью не зависит не только от движения вокруг внутреннего электрода, но и от всех начальных параметров ионов, кроме их отношение массы к заряду m / z. Его угловая частота равна: ω = √k / (m / z), где k - силовая постоянная потенциала, аналогично жесткости пружины.
Чтобы ввести ионы из внешнего источника ионов, сначала уменьшают поле между электродами. Поскольку ионные пакеты вводятся в поле по касательной, электрическое поле увеличивается за счет линейного увеличения напряжения на внутреннем электроде. Ионы сжимаются к внутреннему электроду, пока не достигнут желаемой орбиты внутри ловушки. В этот момент линейное изменение прекращается, поле становится статическим, и можно начинать обнаружение. Каждый пакет содержит множество ионов с разной скоростью, распределенных в определенном объеме. Эти ионы движутся с разными частотами вращения, но с одинаковой осевой частотой. Это означает, что ионы с определенным отношением массы к заряду распределяются в кольца, которые колеблются вдоль внутреннего шпинделя.
Проверка принципа действия технологии была проведена с использованием прямой инжекции ионов из внешнего источника ионов с лазерной десорбцией и ионизацией. Этот метод впрыска хорошо работает с импульсными источниками, такими как MALDI, но не может быть сопряжен с непрерывными ионными источниками, такими как электроспрей.
Во всех коммерческих масс-спектрометрах Orbitrap используется изогнутая линейная ловушка для ввода ионов (C-ловушка ). Путем быстрого снижения улавливаемых ВЧ-напряжений и применения градиентов постоянного тока через C-ловушку ионы можно группировать в короткие пакеты, подобные пакетам из лазерного источника ионов. C-ловушка тесно интегрирована с анализатором, оптикой впрыска и дифференциальной откачкой.
В принципе, когерентные осевые колебания ионных колец могут быть возбуждены путем приложения высокочастотных волн к внешнему электроду, как показано в и ссылках в нем. Однако, если ионные пакеты инжектируются вдали от минимума осевого потенциала (который соответствует самой толстой части любого электрода), это автоматически инициирует их осевые колебания, устраняя необходимость в каком-либо дополнительном возбуждении. Кроме того, отсутствие дополнительного возбуждения позволяет запускать процесс обнаружения, как только электроника обнаружения восстанавливается после линейного изменения напряжения, необходимого для инжекции ионов.
Вырезы из стандартного (вверху) и высокопольного (внизу) анализатора Orbitrap. Осевые колебания ионных колец обнаруживаются по их току изображения, индуцированному на внешнем электроде, который разделен на два симметричных датчика, подключенных к дифференциальному усилителю. Путем обработки данных способом, аналогичным используемому в масс-спектрометрии с ионным циклотронным резонансом с преобразованием Фурье (FTICR-MS), ловушку можно использовать в качестве масс-анализатора. Как и в FTICR-MS, все ионы обнаруживаются одновременно в течение некоторого заданного периода времени, и разрешение можно улучшить, увеличив напряженность поля или увеличив период обнаружения. Orbitrap отличается от FTICR-MS отсутствием магнитного поля и, следовательно, имеет значительно более медленное уменьшение разрешающей способности с увеличением m / z.
LTQ Orbitrap В настоящее время анализатор Orbitrap существует в двух вариантах: стандартная ловушка и компактная высокопольная ловушка. В практических ловушках внешний электрод поддерживается на виртуальной земле, и напряжение 3,5 или 5 кВ подается только на внутренний электрод. В результате разрешающая способность при m / z 400 и времени обнаружения 768 мс может варьироваться от 60 000 для стандартной ловушки при 3,5 кВ до 280000 для ловушки с сильным полем при 5 кВ и с улучшенной обработкой FT. Как и в FTICR -MS, разрешающая способность орбитальной ловушки пропорциональна количеству гармонических колебаний ионов; в результате разрешающая способность обратно пропорциональна квадратному корню из m / z и пропорциональна времени сбора данных. Например, приведенные выше значения удвоятся для m / z 100 и уменьшатся вдвое для m / z 1600. Для самого короткого переходного процесса 96 мс эти значения будут уменьшены в 8 раз, тогда как разрешающая способность, превышающая 1000000, была продемонстрирована в 3 -секундные переходные процессы.
Анализатор Orbitrap может быть сопряжен с линейной ионной ловушкой (семейство инструментов LTQ Orbitrap), квадрупольным фильтром масс (семейство Q Exactive) или непосредственно к ионному источнику (прибор Exactive, все продается у Thermo Fisher Scientific ). Кроме того, к C-ловушке может быть добавлена коллизионная ячейка с более высокой энергией с дополнительным добавлением диссоциации с переносом электрона сзади. Большинство этих инструментов имеют источники ионов атмосферного давления, хотя также можно использовать источник MALDI среднего давления (MALDI LTQ Orbitrap). Все эти инструменты обеспечивают высокую точность определения массы (<2–3 ppm with external calibrant and <1–2 ppm with internal), a high resolving power (up to 240,000 at m/z 400), a high dynamic range and high sensitivity.
Масс-спектрометры на основе орбитальной ловушки используются в протеомике, а также в биологических науках масс-спектрометрии такие как метаболизм, метаболомика, анализ окружающей среды, пищевых продуктов и безопасности. Большинство из них сопряжено с жидкостной хроматографией разделения, хотя они также используются с газовая хроматография и методы ионизации в окружающей среде.
 | Викискладе есть медиафайлы, связанные с Orbitrap. |
